五种内固定方式用于不同Pauwels分型股骨颈骨折的有限元分析

摘要

背景：股骨由于其在运动及承重中的重要作用，为历年来运动医学和骨科学的研究热点。股骨颈骨折具有多发性和多样性，其治疗的并发症较多，因此针对股骨颈骨折治疗的方式层出不穷，然并未得到较好的解决，其因而成为临床上治疗的难题。股骨颈骨折占髋部骨折的50％～60％，高发于老年患者，多合并不同程度的骨质疏松，女性多于男性。其治疗方式的选择受到多种因素的影响，包括年龄、骨折类型、精神因素等，股骨颈骨折主要包括内固定、半髋或全髋关节置换术。关节置换术为股骨颈骨折的终末治疗方法，一般患者首选内固定治疗，给股骨头一个恢复的机会。目前主流观点认为，对于小于60岁的患者，如无明确股骨头缺血征象，首选内固定治疗;对于80岁以上的移位型骨折患者，最好行髋关节置换术;60～80岁之间的患者则根据患者的伤情、骨折类型、精神因素及是否合并其他系统性疾病来综合选择治疗方式。目前可选用的内固定方式比较多，最常用的有空心钉，DHS，股骨近端钢板等。Pauwels分型根据骨折线的夹角将骨折分为3型，PauwelsⅠ型骨折线小于30°，PauwelsⅡ型骨折骨折线为30°～50°，PauwelsⅢ型骨折骨折线为大于50°。骨折线的夹角度数越大，即骨折线越垂直，骨折端所受到的剪式应力越大，骨折越不稳定，不愈合率随之增加。此种分型以往并未得到重视，然而由于近年来骨折不愈合及股骨头缺血性坏死的研究不断深入，较多学者对此分型的不同疗效进行了相关研究。FEM具有强大的建模功能，在动静状态下能够对具有复杂的几何形状、材料参数和不同受力条件下的物体进行模拟仿真研究，其已经越来越多的被应用到人体生物力学中。
　　 目的：⑴利用数字化技术，建立股骨颈骨折的三维数字虚拟仿真模型及有限元模型，并同时通过尸体标本验证有限元模型的有效性;⑵依据三维绘图软件绘制5种不同类型的股骨颈内固定模型，分别为上下平行的两枚空心拉力螺钉、“倒品字”形排列的三枚空心拉力螺钉模型、“倒品字”形排列的三枚全螺纹拉力螺钉模型、股骨颈锁定钢板模型、InterTan钉板系统模型，并建立5种内固定方式固定三种不同Pauwels股骨颈骨折的有限元模型;⑶以Ansys软件分析比较5种内固定方式对三种不同Pauwels分型的股骨颈骨折的应力分布、位移部分、生命周期，综合评价每种内固定的固定特点，通过比较不同内固定方式生物力学稳定性，为临床应用提供理论依据;
　　 方法：①数字化股骨三维有限元模型的构建:经X线检查证实髋部无骨折、畸形、肿瘤等骨质破坏，采用Philips/Brilliance64排螺旋CT行股骨扫描，扫描参数:管电压120kV，管电流100mA，自股骨大转子上方，层厚0.625mm，共获取二维CT图像489层。数据以.DICOM格式保存，输入个人计算机的Mimics10.01软件，经自动或手动阈值分割后三维重建出完整股骨的三维结构，再以点云输出并导出的STL格式数据导入Geomagic Studio10.0软件，根据在多边形阶段提取设定的特征和编辑的曲面片自动拟合成NURBS曲面，以Iges格式输出保存。同时，建立股骨颈Pauwels-Ⅱ型骨折模型，骨折线为50°，并以“倒品字”拉力螺钉固定。根据骨骼、内固定两种不同的材料属性，不计关节之间的摩擦，而将软骨忽略，肌肉及肌腱应力则简化处理。假设为骨折面完全断裂并处于接触状态，摩擦系数为0.2。将股骨三维有限元模型内外髁下缘全部节点的自由度约束为0作为边界条件，即远端各节点在x、y、z轴上的位移为0。采用目前常用的简化模型，即仅考虑骨盆髋臼窝作用于股骨头上的力，对于肌肉力，仅取大转子附近的外展肌力（臀中肌与梨状肌）和股外侧肌力外展肌作为有限元分析的外载荷，予以轴向600 N应力，平均作用于股骨头与髋臼接触面，沿轴向向下，然后设置好网格划分密度生成网格并设置算例属性进行运算。②有限元模型有效性验证:取1具成人尸体的股骨颈标本，去除标本周围的软组织，保存完整的骨性结构，X线片检查排除肿瘤、骨折等病变，骨密度测试值为1.17 g/cm2。用双层塑料袋密封在-80℃冷冻备用。测试前24 h取出，室温下自然解冻后根据股骨颈Pauwels-Ⅱ型骨折模拟截骨，骨折线为50°，并以空心螺钉固定。股骨颈空心钉:空心钉全长90 mm，直径6.5 mm，螺纹部分长20 mm，空心钉中空部分直径2.5 mm。空心钉固定为“倒品字”固定，螺钉互相平行，且尽量分离。将骨折内固定模型固定于电子万能动静态材料试验机上，股骨远端双髁连线与水平面平行，所得股骨轴线与矢状线呈23°夹角，分别于梨状窝及大转子外侧固定尼龙线(拉伸弹性模量分别为9.7 N/mm2和0.15N/mm2)予以固定，固定强度为10 MPa。其后予以股骨头垂直方向600 N应力，通过压敏片记录八个点的应力值，测量三次，取平均值，并与有限元分析结果进行比较。③内固定三维模型的绘制:本研究共涉及4种内固定结构，分别为，空心拉力螺钉、全螺纹空心螺钉、股骨颈锁定钢板、InterTan钉板系统。其中空心钉全长90 mm，直径6.5 mm，螺纹位于螺钉远端，螺纹部分长20 mm，空心钉中空部分直径2.5 mm;全螺纹空心螺钉，空心钉全长90 mm，直径7.3 mm，近端及远端螺纹为松质骨螺纹，近端自螺钉尾端始长约35 mm，远端自螺钉部分长25 mm，螺钉中部25 mm为皮质骨螺纹，空心钉中空部分直径2.5 mm;股骨颈锁定钢板，其结构包括一块倒三角形的解剖型钢板及三枚锁定螺钉;钢板上方两个万向锁定孔，下方一个锁定孔，锁定孔的斜率为140°，每个锁定孔上方为克式针孔;锁定螺钉钉3枚，两枚直径6mm，长度85～90 mm，为半螺纹松质骨拉力螺钉，远端螺纹长度为20 mm，中空部直径为2.0 mm;另一枚为全螺纹螺钉，长度90～100mm，直径6.5mm，中空部直径为2.5 mm; InterTan钉板系统数据由（Smith&Nephew公司，英国）提供，应用proE4.0(PTC，美国)三维绘图软件对其进行三维虚拟重建。④骨折内固定有限元模型建立及分析:根据Pauwels三种骨折类型建立三种股骨颈骨折有限元模型，同时建立5种内固定模型，分别为:a:两枚拉力螺钉模型b:三枚“倒品字”形排列拉力螺钉模型c:三枚“倒品字”型排列全螺纹空心螺钉;d:股骨颈锁定钢板的内固定模型e:InterTan钉板系统固定模型。均将绘制的内固定三维实体模型与股骨模型导入有限元分析前处理软件Hypermesh10.0中进行装配完成，生成节点和单元后导入有限元分析软件Ansys13.0进行处理分析，所有模型均采用solid185单元（材料赋值及边界约束同方法一）。通过5种指标对5种内固定模型(a～e)的力学性能进行综合分析:①内固定的应力分布位置及应力峰值;②股骨的应力分布位置及应力峰值;③内固定位移分布和峰值;④股骨的位移分布和峰值;⑤骨及内固定的疲劳测试:予0.5 Hz频率，600 N的垂直方向应力行疲劳测试，计算达到骨及内固定达到屈服的压力次数。
　　 结果：⑴基于CT扫描数据，利用Mimics、Geomagic Studio、UG软件，建立股骨颈骨折的三维数字仿真模型，这种方法可行、有效，建模速度较快，且对人体无损害。三维有限元法是生物力学研究的一种理论方法，可以模拟各种结构的几何模型，赋予各种组织的生物材料属性，能很好的反映其生物力学特性的总体趋势，因而可以作为标本实验生物力学研究方法很好的补充。本研究利用人体股骨CT数据，借助Mimics、Geomagic Studio、Hypermesh、Anasys等软件，建立了股骨颈骨折的的有限元模型与正常人体具有良好的几何相似性。通过尸体模型进行了有效性验证，证明本模型具有良好的物理相似性，更能够准确和完整地模拟股骨颈骨折的其受力特点，有利于对其进行生物力学分析。⑵PauwelsⅠ型股骨颈骨折，5种模型的应力峰值均集中于骨折线处的内固定下方，其中模型b、c、e分布较为均匀，模型a、d分布较为集中，其峰值为a:136.90MPa;b:52.47MPa;c:27.16 MPa:d:118.69 MPa;e:50.40 MPa。所有模型的位移均集中于股骨头处，其峰值为:a:1.49mm;b:1.62mm;c:1.33 mm:d:1.40mm;e:0.89 mm。通过疲劳测试得出，内固定在le6时均未发生屈服，骨端的生命周期分别为:a:1.5367e5次;b:1.8578e5次;c:1.9458e5次;d:1.2111e5次;e:1.769e5次。⑶PauwelsⅡ型股骨颈骨折，5种模型应力集中区域有所不同，模型a、d分布较为集中，应力集中区域主要位于近骨折线的内固定下方;模型b、c应力分布较为均匀;模型e应力主要集中于内固定上方螺钉处。其峰值为a:188.07MPa;b:88.96 MPa;c:57.43 MPa(:)d:167.92 MPa;e:53.63 MPa;所有模型的位移均集中于股骨头处，其峰值为:a:1.63 mm;b:1.27 mm;c:1.06mm(:)d:1.52mm;e:0.89mm。通过疲劳测试得出，内固定在1e6时均未发生屈服，骨端的生命周期分别为:a:1.5089e5次;b:1.1689e5次;c:1.849e5次;d:1.6932e5次;e:1.7964e5次。⑷PauwelsⅢ型骨折，骨折端主要受力为垂直方向上的剪切力，5种模型应力集中区域有所不同，模型a、d分布较为集中，应力集中区域主要位于近骨折线的内固定下方;模型b、c应力分布较为均匀;模型e应力主要集中于内固定上方螺钉处。其峰值为a:210.91 MPa;b:116.49 MPa;c:62.56 MPa:d:142.49MPa;e:65.72 MPa。所有模型的位移均集中于股骨头处，由图中可得出，其峰值为:a:1.59mm;b:1.61mm;c:1.33 mm(:)d:1.48mm;e:0.91mm。内固定在1e6时均未发生屈服，骨端的生命周期分别为:a:1.4647e5次;b:1.3438e5次;c:1.9156e5次;d:1e6次;e:1.6254e5次。
　　 结论：股骨颈骨折Pauwels分型不同其生物力学特点各不相同，PauwelsⅠ型骨折断端压力较大，使用空心钉固定时骨折线不与螺钉方向垂直，预防股骨颈短缩为主要治疗目的。5种内固定方式均可以用于本型股骨颈骨折的治疗，使用带全螺纹的“倒品字”形排列的空心钉固定既能够达到较为稳定的生物力学稳定性，又能够有效防止股骨颈短缩，且具备微创的优点，可作为推荐治疗方式。PauwelsⅡ型骨折，垂直方向上的剪切力大于PauwelsⅠ型骨折，且螺钉方向与骨折线方向接近垂直，最容易产生股骨颈轴向的压力，骨折愈合过程中的动力加压作用较强。上下两枚螺钉固定其生物力学稳定性不佳，不推荐使用，三枚“倒品字”排列的以拉力螺钉固定时容易发生股骨颈短缩，而以全螺纹螺钉固定则可能使螺钉穿入髋臼内，股骨颈锁定钢板和InterTan钉板系统可作为首选固定方式。综合分析，本型骨折如骨质情况良好可选用“倒品字”型排列的空心钉治疗，而骨质疏松严重的患者则推荐使用股骨近端钉板系统治疗;PauwelsⅢ型骨折，骨折端主要受力为垂直方向上的剪切力，选用内固定方式时需要以维持骨折端的稳定为优先考虑原则，不推荐使用空心螺钉进行固定，推荐使用股骨颈锁定钢板或InterTan钉板系统进行治疗，如患者骨折碎裂严重或移位较多不推荐InterTan钉板系统，以免发生股骨头缺血性坏死。

目录

摘要

前言

第一部分 股骨颈骨折有限元模型的建立及有效性验证

引言

1．1 材料与方法

1．2 结果

1．3 讨论

参考文献

第二部分 5种不同内固定固定PauwelsⅠ型股骨颈骨折的有限元分析

引言

2．1 材料与方法

2．2 结果

2．3 讨论

2．4 结论

参考文献

第三部分 5种不同内固定固定PauwelsⅡ型股骨颈骨折的有限元分析

引言

3．1 材料与方法

3．2 结果

3．3 讨论

3．4 结论

参考文献

第四部分 5种不同内固定固定PauwelsⅢ型股骨颈骨折的有限元分析

引言

4．1 材料与方法

4．2 结果

4．3 讨论

4．4 结论

参考文献

缩略词对照表

攻读学位期间成果

致谢

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统计学审稿证明